深埋小直径盾构物料长距离运输技术

刘开扬 许剑波 彭文韬 陈 伟

中建三局基础设施建设投资有限公司 湖北 武汉 430073

武汉大东湖核心区污水传输系统工程为国内首次对深层污水传输隧道建设的大胆尝试，面临诸多技术难点。盾构施工作为深埋隧道建设的关键一环，区间断面小、距离长、埋深大，水平、垂直运输效率显著降低，如何实现盾构施工中物料的高速运输是工程重、难点之一。本文重点从始发竖井设计优化、竖井布置、洞内布置等3个方面介绍本工程所采取的高效物料运输措施，为类似的深埋小直径盾构施工物料长距离的运输提供参考。

1 工程概况

武汉市大东湖核心区污水传输系统工程主隧道全长17.5 km，包含9个竖井和9个盾构区间。9个竖井中3个为49 m×11 m的矩形双向始发井，1个为φ20.4 m的圆形单向始发井，其余为过站井和接收井。9个区间涉及3种开挖直径，分别为4.25、4.45、4.65 m，对应的管片内径分别为3.4、3.6、3.8 m。区间埋深30～56 m，单个最长区间为3#～1#区间，该区间长3.6 km，整个工程超过2 km的区间达4个，共投入7台土压平衡盾构机进行施工。

2 竖井设计优化

受小直径隧道净空、运输车辆尺寸、安全距离和人员通道等方面因素的限制，本工程洞内编组运输只能采用传统单线轨道方式[1]。若想实现单环只运输1次，需采用整编组列车，即“20 t电瓶车机头＋4节9 m3渣车＋1节4.5 m3砂浆车＋2节7.5 t管片车”的编组形式，列车全长43.8 m，宽1.2 m。工程原设计矩形竖井尺寸为20 m×11 m矩形，且既是始发井又是接收井，竖井尺寸不满足电瓶车整编组掘进需求，需采用2列短编组列车才能实现单环掘进。当区间掘进距离较长时，物料运输将严重制约盾构的掘进效率。为此，项目组织了工艺优化，采用集中始发的原则，将原设计部分竖井由20 m×11 m矩形单向始发井变更为49 m×11 m矩形双向始发井，同步将纯接收井减小至15 m×11 m，在原φ20.4 m的圆形竖井接收端增加长35 m的后导洞。设计优化后，各始发竖井均满足双列整编组列车掘进要求，盾构物料长距离运输效率大大提升。以下分别就两大设计优化措施进行分析。

2.1 矩形始发井加大

以本工程3#竖井为例，原设计为20 m×11 m矩形单向始发井。按原设计井下2列短编组电瓶车布置，如图1所示，距洞口15 m处设置Y形道岔错车，2个20 t机头共带3节9 m3渣车＋4.5 m3砂浆车＋2节7.5 t管片车。在此种编组形式下，盾构长距离掘进效率极低，单环掘进需2列短编组电瓶车各进洞1次才能完成，当地层水丰富，出渣含水较大时，甚至需电瓶车进洞3次才能掘进一环；且基坑左侧大吊装孔利用效率低，吊运渣土需利用右侧吊装孔，吊装孔净宽与渣斗宽相近，起吊时有碰撞风险。

图1 3#竖井原设计电瓶车编组示意

鉴于此种编组形式下盾构物料运输存在的问题，项目提出将竖井尺寸由20 m×11 m变更为49 m×11 m，并将竖井形式由一侧始发一侧接收改为双向始发。井下双向共可布置4列电瓶车整编组。编组列车与竖井纵向呈4°夹角，两井口均设置Y形道岔供错车。变更后，实现了单区间双列整编组掘进，大幅提高了盾构掘进效率。同时，竖井变更设计时适当加大了1、4仓内的净空，作为主吊装孔，大幅提升了吊运效率，保障了吊运安全。

2.2 圆形始发井增加后导洞

工艺优化后，原设计φ20.4 m圆形接收井4#竖井变更为单向始发井，一侧始发一侧接收。该方案与原矩形井存在同样的问题，井底供电瓶车编组布置的有效长度仅16.8 m，只能采用2列短编组实现单环掘进，如图2所示。

图2 4#竖井原设计电瓶车编组示意

因4#竖井运营期作为支隧汇流井，后期需施作工艺结构，选择增大竖井尺寸带来的造价提升较大。对此，项目提出在竖井接收端增加长35 m的矿山法后导洞。变更设计后，竖井同样可实现区间双列整编组掘进，在洞口设置Y形道岔错车。

2.3 电瓶车满编组与短编组工效对比

1）短编组单趟电瓶车行驶时间为10 min时，正常施工条件下单环施工时间为85 min，盾构机需待机10 min。

2）短编组单趟电瓶车行驶时间为15 min时，正常施工条件下单环施工时间为105 min，盾构机需待机30 min。

3）短编组单趟电瓶车行驶时间为20 min时，正常施工条件下单环施工时间为125 min，盾构机需待机50 min。

以此类推，当区间掘进距离增大至电瓶车在洞内单趟行驶时间大于10 min时，其行驶时间每增加5 min，盾构机待机时间就会增加20 min，单环施工时间也就增加20 min。

以3#～1#区间为例，隧道长度为3 600 m，电瓶车洞内平均速度为8 km/h（133 m/min），通过对比可知，满编组比短编组每环掘进时间可以节省10～54 min，如表1所示。

表1 满编组与短编组单环施工时间对比

3 竖井内布置

为提高小直径盾构施工时物料长距离运输的效率，竖井内应首先做好始发井底板上的电瓶车编组布置。始发井应优先保障单边各2列整编组列车掘进。针对可能影响底板空间的电梯基础、砂浆中转站等，应通过布置优化，尽可能设置于竖井上部。如受空间尺寸限制，井口Y形道岔设置困难，可通过抬高洞口段轨面标高等方式解决。

同时，竖井作为垂直运输的重要通道，应保障物料运输垂直运输的通畅。在竖井布置过程中，应保障吊装通道不受电梯、楼梯、管线等布置影响，如图3所示。针对深埋的盾构隧道，为提高垂直运输效率，可考虑适当提高龙门吊的重载提升速度或设置备用门吊。本工程竖井深度为32.8～51.5 m，按照常规龙门吊提升速度，单环吊渣、下管片及材料耗时56 min，项目将门吊提升速度由常规的15 m/min提升至25 m/min，可节约吊装时间11 min。

图3 竖井布置立面示意

4 隧道内布置

为提高小直径盾构施工时，物料长距离运输的效率，隧道内布置主要应做好洞内布置及洞内道岔设置。

以断面最小的3#～1#区间为例，区间管片内径仅3.4 m。为满足小直径断面盾构施工与人员通行需要，项目对洞内各支架、轨枕等构件尺寸进行定制，在隧道内布置φ100 mm的盾构施工进出水水管、排污管和φ600 mm的通风管，10 kV高压电缆，灯带和轨道运输轨线及宽400 mm的人行道，与电瓶车安全距离为20 cm。此布置方式实现小直径断面下车行区、管线区与人行区的合理分区（图4）。

图4 洞内布置示意

随着区间掘进距离的增大，单趟电瓶车行驶时间随之增长，水平运输仍制约着物料运输效率。盾构单环施工完成后仍需停机等待一定时间，工效受到了制约[2]。具体分析如下（以3#～1#区间为例）。

1）在单趟电瓶车行驶时间为15 min以内时，正常施工条件下单环施工时间为75 min，盾构机无须待机。

2）在单趟电瓶车行驶时间为20 min时，正常施工条件下单环施工时间为85 min，盾构机需待机10 min。

3）在单趟电瓶车行驶时间为25 min时，正常施工条件下单环施工时间为95 min，盾构机需待机20 min。

以此类推，当区间掘进距离增大至电瓶车在洞内单趟行驶时间大于15 min时，其行驶时间每增加5 min，盾构机待机时间就会增加10 min，单环施工时间也就增加10 min。

鉴于此，项目提出在洞内合适位置设置道岔。因区间较长，断面较小，道岔的设置需充分计算考虑。

4.1 道岔位置计算

根据以上对电瓶车运输工效的分析，单列电瓶车在隧道内行驶时间不超过15 min时，盾构机无须停机等待。

根据已知的电瓶车行驶时间15 min，行驶速度平均8 km/h（133 m/min），计算电瓶车可行驶的距离S1＝15 min×133 m/min＝1 995 m。

由此可知，隧道里程在1 995 m以内，电瓶车均能满足盾构机掘进的需求。

当隧道超过1 995 m时，盾构机需停机等待电瓶车。通过对以上分析可知，当电瓶车在井口下管片及辅材后有30 min的待机时间时，可利用此空暇时间缩短2列电瓶车的错车距离。

若在隧道1 995 m处设置道岔，隧道长度为1 995～ 3 990 m（S2＝1 995 m＋15 min×133 m/min＝3 990 m）时，电瓶车均可满足盾构施工掘进要求，盾构机无须停机等待。

对于3#～1#区间，隧道长度为3 600 m，道岔设置于1 995 m处，通过对比设置道岔与不设置道岔单环施工时间，每环掘进时间可以节省10～22 min，如表2所示。

表2 设置道岔与不设置道岔单环施工时间对比

4.2 道岔设置

为满足电瓶车长度及错车要求，道岔及双轨段总长度约108 m，如图5所示。隧道内铺设单轨段轨面标高为260 mm，铺设道岔及双轨段轨面标高需抬升至723 mm，存在463 mm高差，根据电瓶车爬坡能力，设置18 m变坡段。受限于小直径断面，人行区、车行区只能合一，电瓶车在此段通行时严格限速，以保证人行安全。

图5 洞内道岔平面布置

5 结语

深埋小直径盾构施工时，物料的长距离垂直、水平运输是保障施工顺利进行的关键。

本工程通过始发井设计优化，单向始发井增设后导洞，做好竖井内布置、隧道内布置，隧道内合理位置增设道岔等措施，以及高效的物料垂直、水平运输技术，保障了盾构施工的高效与顺利，有效节约了工期，其相关思路和措施可供类似盾构施工参考。